24/01/2011 - Le nano au service de l'efficacité énergétique

Menéame

Une partie importante de la recherche est consacrée à l’impact des nanofluides sur la santé et l’environnement. Au Centre de recherche de Casaccia (Rome), un groupe de chercheurs de l’ENEA (Agence nationale italienne pour les nouvelles technologies, l’énergie et le développement économique durable) est confronté à un défi technologique majeur pour le développement d’instruments énergétiques plus efficaces: la création et la caractérisation de nanofluides réfrigérants (nanofluid coolants).

Le projet NanoHex ('Enhanced nano-fluid heat exchange'); HENIX, dans son acronyme, dans le cadre du 7e programme-cadre de l’UE, a pour objectif de développer et d’optimiser des processus fiables pour la production de nanofluides réfrigérants à haut rendement, afin de les utiliser dans le contrôle de la chaleur émis par les machines industrielles.

Dans de nombreux procédés industriels, les machines utilisées émettent une grande quantité de chaleur qui peut influer sur leurs performances. "Avec un échangeur de chaleur supplémentaire de la source thermique et le disperse pour que la machine en service fonctionne correctement," explique le Dr. Mauro Falconieri, responsable du Laboratoire de Spectroscopie des Matériaux Fonctionnels du Centre de Recherche de Casaccia. "Ceci peut être fait avec un fluide qui conduit la chaleur de la zone plus chaude à une zone plus froide. La conductivité thermique (propriété physique d’un matériau qui détermine sa capacité à conduire la chaleur) du fluide est un paramètre qui vous dit si vous pouvez avoir un transfert de chaleur plus efficace," ajoute-t-il. Pour extraire la chaleur de la source, il est parfois nécessaire d’appliquer de l’énergie (par exemple, une pompe qui fait circuler le fluide dans l’échangeur de chaleur). "Si le fluide n’est pas efficace, vous aurez probablement besoin d’une très grande pompe pour disperser la chaleur et diminuer la température," explique le Dr. Falconieri. "Mais si le fluide est plus efficace, vous aurez besoin d’une pompe plus petite. C’est pourquoi nous avons besoin d’un échangeur de chaleur plus efficace," ajoute-t-il. Et cela se fait en introduisant des nanoparticules dans le fluide.

Une partie très importante de ce projet est ce qu’on appelle l’Évaluation du cycle de vie. Il s’agit d’évaluer en détail la sécurité et l’impact potentiel sur la santé et l’environnement des nanofluides réfrigérants, dans l’une ou l’autre de leurs applications. " Une fois que vous avez le produit industriel, vous devez préciser quel est son cycle de vie ," commente Falconieri. C’est-à-dire, le temps où le nanofluide va prendre du temps pour se dégrader, la façon dont ce nanofluide doit être changé en un autre dans le système, les étapes à suivre pour s’en débarrasser... Nous ne pouvons pas le déverser par l’égout, car nous ne connaissons pas ses effets toxicologiques potentiels, tant pour l’homme que pour l’environnement. "C’est quelque chose à prendre en compte dans les projets sur Nanotechnologie. Par exemple, au cours des dernières années, on a découvert que les nanotubes de carbone sont nocifs pour la santé parce que, s’ils sont inhalés, ils peuvent être introduits dans les cellules et endommagés, car ils agissent comme des aiguilles nanométriques," précise-t-il. Cela fait également partie du coût global du projet, car pour évaluer l’efficacité énergétique du produit, il faut tenir compte de l’ensemble du cycle de vie du produit.

Les nanotechnologies en hausse

Mais qu’est-ce qu’un nanomatériel ? "A si petites tailles (1 nm = 10-9 m) ," explique le Dr. Méndez, Directeur du Centre de Nanomatériaux Fonctionnels du Brookhaven National Laboratory (USA), "les propriétés des matériaux sont différentes (couleur, conductivité, résistance mécanique, etc.); la mécanique quantique entre en jeu, de sorte que les propriétés ne dépendent pas seulement de la chimie des atomes des éléments, mais dépendent également du comportement quantique." Une autre caractéristique cruciale est que, à mesure que nous réduisons la taille des particules, les surfaces jouent un rôle plus important, car le nombre d’atomes à la surface augmente considérablement. "Comme avec un morceau de sucre quand on le dissout: le volume ajouté ne change pas, mais la surface globale de tous les grains dissous est beaucoup plus grande que celle du prisme (terron) original," précise-t-il.

Depuis qu’en 1959 un génie nommé Richard Feynman a dit "Il y a de la place en arrière-plan" ("There's returnty of room at the bottom" était le titre de la conférence qu’il a offerte à l’Institut Caltech de Californie et qui, pour beaucoup, constitue le début de la Nanotechnologie comme science) a beaucoup plu. Ces débuts timides ont atteint leur apogée dans les années 80, grâce à l’invention du microscope à effet tunnel (1981) et du microscope à force atomique (1986), ainsi qu’à la découverte des fullerensnanotubos de charbon, du grafène et des points quantiques." (1985). Mais ce n’est que depuis relativement peu de temps que cette technologie a vraiment commencé à décoller. Pourquoi maintenant ? Une raison importante est l’impulsion donnée par la microélectronique. "Aujourd'hui, la miniaturisation a permis de rendre la taille des ions que nous avons sur nos ordinateurs de l’ordre réel des 60 nm." explique le Dr. Mendez. Il poursuit: "En outre, le développement des nouvelles méthodes de synthèse des matériaux a rendu possible l’étude approfondie des

Le projet NanoHex

L’objectif principal du projet est l’application directe des nanofluides réfrigérants dans deux systèmes: les centres de calcul (Data Centers) et les convertisseurs électroniques de puissance (power electronics) pour les trains électriques. Un centre de calcul est essentiellement une salle où beaucoup de processeurs travaillent, donc ils ont besoin d’un contrôle de température. D’autre part, les moteurs électriques des trains sont contrôlés par des dispositifs électroniques, qui doivent être réfrigérés. En d’autres termes, si le poids et les dimensions de l’échangeur sont réduits, l’énergie et l’espace seront probablement épargnés. "Dans ce projet, nous avons deux grandes compagnies qui sont intéressées par cet échangeur de chaleur. L’une d’elles est Thermacore Europe Ltd, qui produit des centres de calcul (et qui coordonne en outre l’ensemble du projet); et Siemens, qui s’intéresse également aux systèmes de refroidissement pour les dispositifs électroniques des trains électriques," explique le Dr. Falconieri. " Puisque notre projet est un projet industriel (en définitive, nous devons produire une quantité de nanofluide destiné à l’application industrielle), ces deux sociétés sont vraiment celles qui dirigent le consortium, car elles connaissent les exigences qui doivent satisfaire aux fluides. Si vous devez refroidir un train qui, supposez-vous, va voyager en Sibérie, il sera impératif que le fluide ne soit pas gelé à -40 °C; ainsi, c’est une exigence que nous devons prendre en compte, car autrement notre produit ne serait pas utile pour l’utilisateur final," ajoute-t-il.

Les fluides réfrigérants ont toujours été utilisés dans les échangeurs de chaleur. La nouveauté de ce projet est de ne pas utiliser un fluide homogène (comme l’eau ou l’éthyl glycol, les fluides qui sont normalement utilisés, qui ont une certaine capacité à échanger la chaleur), mais un inhomogénène, où les propriétés thermiques sont différentes. Il y a des centaines d’années, on a déjà étudié le comportement d’un fluide en y introduisant des particules; mais ces dernières années, avec l’essor de la Nanotechnologie, de nombreux groupes de recherche ont essayé de faire des fluides avec des nanoparticules à l’intérieur, sans beaucoup de succès. Il y a maintenant un intérêt particulier à étudier comment modifier la forme et la composition de ces nanoparticules, car il n’est pas facile de contrôler l’agrégation des formes et la composition des surfaces de celles-ci; en fait, beaucoup de résultats sont peu productifs. "C’est donc notre projet; avec ces antécédents de résultats intéressants mais peu reproductifs, sans une fabrication à grande échelle, nous étudions les moyens de contrôler les propriétés des nanofluides dans la production à grande échelle. C’est le projet. C’est un type de développement industriel basé sur une recherche fondamentale," explique le Dr. Falconieri.

Mais comment fabriquent-ils ce nanofluide réfrigérant ? Rosaria D’Amato, chercheur du même laboratoire, nous l’explique: "Quand on utilise un fluide comme l’eau, ou comme le glycol, où il y a des nanoparticules dispersées, ce fluide améliore ses propriétés de refroidissement. En ce moment, nous sommes au début de la recherche, en étudiant le phénomène et en essayant de savoir quel type de nanoparticules sont les plus appropriés et quels paramètres sont importants pour cette étude."

Il poursuit: "Nous produisons des nanoparticules de différents matériaux par pyrolyse laser (mécanisme par lequel un gaz, soumis à un faisceau laser, se décompose en composés réactifs qui interagiront entre eux, donnant naissance aux nanoparticules). Ensuite, ces nanoparticules sont dispersées dans une solution ou dans de l’eau, selon les besoins." On obtient ainsi une dispersion où les nanoparticules se trouvent 'néant'. Il est important que les nanoparticules soient très petites (de l’ordre de 5-10 nm) afin que la dispersion soit suffisamment bonne et que les nano-particules ne soient pas déposées au fond du récipient par effet de gravité. " Cependant, les nanoparticules ne sont pas isolées, mais forment des agrégats; même dans ce cas, des caractéristiques déterminées des nanoparticules sont obtenues. Dans notre projet, nous utilisons TiO2 (oxyde de titane) et SiO2 (dioxyde de silicium) comme nanoparticules, dont les propriétés thermiques sont importantes pour les choisir comme composants des nanofluides réfrigérants."

Mais cela ne s’arrête pas là; ils doivent caractériser les nanoparticules, ils doivent connaître leurs caractéristiques thermiques, leur dimension, leur agrégation, certaines propriétés optiques (si nécessaire),... Pour cela, on utilise la spectroscopie laser, en l’appliquant sur des échantillons d’une dissolution très peu concentrée des nanoparticules; c’est-à-dire, on prend la solution des nanoparticule, on dissout dans l’eau ou l’éthanol à 1%, et on la place sur un support de manière à affecter deux faisceau laser de différentes fréquences, afin d’obtenir un spectre de dispersion. L’effet de la dispersion de la lumière est observé chaque fois que nous avons l’occasion de contempler un arc-en-ciel; la différence entre l’arc-en- ciel et le spectre de dispersion obtenu avec la spectroscopie laser est que, dans ce dernier, la lumière incidente est un 'congrumé' de fréquences (chaque couleur correspond à une fréquence de lumière) et, dans ce, la lumière-incident a une fréquence déterminée. "De cette façon, nous pouvons étudier la diffusion thermique de la dispersion des nanoparticules (de TiO2 ou de SiO2), à l’aide de techniques optiques," explique Flaminia Rondino, jeune chercheuse également affectée à ce projet. Pour ce faire, il utilise un laser de femtoseconde (1 fs = 10-15 s), qui lui permet d’étudier des phénomènes qui se produisent très rapidement dans le matériau, comme c’est le cas pour les nanomatériaux. Cependant, ce n’est que le début. Après ces recherches de base, une fois trouvé le nanofluide 'parfait', celui-ci doit être produit en grandes quantités pour une utilisation industrielle.

Cinquante ans se sont écoulés depuis la conférence de Feynman, mais je pense que nous ne nous trompons pas si nous disons que cela n’a fait que commencer.

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